有通風彈藥艙角落火災初期溫度特性

王 凱，姬 翔，霍 巖

(1. 海軍駐鄭州地區軍事代表室，河南 鄭州，450015；2. 中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州，450015；3. 哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱，150001)

0 引 言

彈藥艙是艦船的重要艙室，屬于高危險性和易爆炸區域，其安全關乎艦船的戰斗力和生命力[1]。彈藥艙內即使再小的火情也可能引發災難性后果，因此需要火災探測設備能在火災發生初期盡早探測報警，以便在事態嚴重之前采取有效應對措施。考慮到艦船火災風險評估中最不利場景原則[2]，結合艙室內雜物等堆放位置情況，發生在艙室內角落等較隱蔽位置處的雜物被引燃而形成的火災屬于火災早期探測的典型不利場景。而且彈藥艙室內為了保持恒定的溫濕度，通常都配備有通風系統，在通風影響下，火災熱流場也會受到影響，從而呈現特殊的規律特性，目前對此類流場特性還缺乏深入的認識。隨著CFD場模擬技術和計算機硬件條件的不斷發展，數值模擬已被廣泛應用于艦船艙室火災特性研究中[3–5]，有結果證明數值模擬可以在降低實驗成本的同時簡便快捷地得到艦船艙室火災相關數據[6]。本文利用數值方法對有通風的彈藥艙室內角落火災熱流場進行模擬，對艙室內各火災溫度探測器處的相關參數變化情況進行分析，所得結論對于有通風艙室火災早期探測有一定的指導意義。

1 艙室模型與計算方法

所研究的彈藥艙室為長方體結構，艙室內部空間尺寸為：長12 m，寬8 m，高3.5 m。艙室兩側上部各有6個對稱分布的風口，各風口尺寸為0.3 m×0.25 m，風口中心距艙室上壁面0.2 m，每個風口的風量為0.187 5 m3/s。艙室內地面上布置有6組彈藥架。艙室結構如圖1所示。

在艙室上壁面以下0.3 m所在高度平面上，設置有8個點型溫度火災探測器，各探測器布置位置如圖2所示。各探測器的采樣頻率為5 Hz，每秒輸出一個采樣平均數據。假設在火災過程中，艙室門始終保持關閉狀態，艙室沒有自然開口。在通風作用下，艙室內溫度保持在23 ℃左右。根據研究艙室內的雜物堆放情況，假設艙室內彈藥架周圍存放或遺落的雜物形成小面積角落火災，火源面積假定為0.02 m2，火源位于艙室靠近送風口一側的角落附近，如圖3所示。

整個計算空間使用規格化網格劃分，火源所在區域和艙室上部熱煙氣流經區域的網格邊長0.025 m，其余區域的網格邊長0.1 m，計算區域網格劃分情況如圖4所示。計算過程利用美國國家標準與技術研究院（NIST）開發的火災模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）[7]來完成。在整個流場計算過程中，先計算艙室內的通風流場，待通風流場達到穩定狀態后才啟動火源進行各火災場景的熱流場計算。

火源初期發展采用αt2火災模型[8]，分別考慮火災發展系數a為0.002 9 kW/s2、0.011 7 kW/s2、0.046 9 kW/s2和0.187 6 kW/s2，以代表不同燃燒物所形成的慢速火、中速火、快速火和超快速火4種典型火災初期發展情況。同時假設火源的最大熱釋放率為250 kW?；馂陌l生后200 s內的4種火災場景熱釋放率增長曲線如圖5所示。

2 結果與分析

對于所研究的4種火災場景，在火災發生200 s內，艙室內火災探測器T1～T8的最高溫度如圖6所示。由圖中可以看出，隨著火災增長系數增大，火源達到最大熱釋放率耗時縮短，各溫度測點最高溫度值逐漸增大；對于同一種火災場景，雖然火源位于艙室內角落附近靠近通風上游位置，但是通風下游的溫度測點T2、T4、T6和T8的最高溫度值明顯高于其對應通風上游的T1、T3、T5和T7測點，距離火源較近的通風下游測點T8是所有溫度測點中溫度值最高的，并且隨著與火源距離的增加，所能達到的最高溫度值逐漸降低，通風下游測點與其所對應的上游測點間最大溫差可接近10 ℃以上。

鑒于火災中溫度探測器多是以其溫度達到50 ～70 ℃作為發出火災報警信號的判定閾值，對于所研究的各火災場景，測點T1～T8的溫度值首次達到50 ℃的時間結果如表1所示。由表中結果可以看出，在所研究的火災發生后200 s內，當火災增長系數0.002 9 kW/s2時，測點T1～T8均未能達到50 ℃，當火災增長系數a 為 0.011 7 kW/s2、0.046 9 kW/s2和 0.187 6 kW/s2時，測點T1～T8的溫度值均可以達到50 ℃以上，并且隨著火災增長系數的增大，各測點溫度值達到50 ℃所需的時間最大值由177 s逐漸減少至92 s。另外，對于同一種火災場景，測點T8最先達到50 ℃，其次為測點T7和T6，距離火源較遠的通風上游區域測點T1和T3達到50 ℃時間最晚。

表1 各火災場景中各溫度測點溫度值首次達到50 ℃的時間Tab. 1 The time when the temperature reached 50℃ for the first time in each fire scenario

對于各火災場景，測點T1～T8的溫度隨時間變化如圖7所示，圖中對測點溫度變化初期進行放大。由圖中可以看出，由于火源位于艙室靠近通風上游的角落處，其正上方最近溫度測點為T7，因此各火災場景產生的熱煙氣均使其上部最近測點T7的溫度最先開始上升，通風下游測點T8溫度隨后才上升，而測點T8的溫度上升速度明顯高于測點T7，致使T8的溫度值很快超過測點T7而成為所有測點中溫度值最高的測點，這說明盡管火源所在上方的通風下游區域溫度測點溫度值是所有測點中最高的，但是火災產生的熱煙氣最先影響的還是其正上方距離最近的溫度測點，隨后才在通風的影響下使熱煙氣作用于通風下游區域溫度測點。

火災增長系數0.011 7 kW/s2時，火災發生后60 s、90 s和150 s時刻，溫度測點所在高度平面溫度分布如圖8所示?？梢钥闯觯鹪匆鸬慕撌疑媳诿鎱^域溫度變化影響區域首先是火源正上方區域及其通風下游區域，隨著時間增長，高溫區域在通風下游向遠離火源的區域逐步擴大，遠離火源的通風上游區域在較長時間內受火災高溫熱煙氣的影響較小。

3 結 語

通過采用數值方法對一有通風的船舶彈藥艙室內4種不同火災增長系數形成的不同類型角落火災進行模擬，通過對200 s內的火災初期結果比較分析得到：

1）隨著火災增長系數增大，相同時間內各溫度測點所能達到的最高溫度值逐漸增大，并且位于通風下游的溫度測點所能達到的最高溫度值明顯高于其對應通風上游的測點，最大溫差可接近10 ℃以上。

2）當火災增長系數a大于0.011 7 kW/s2時，艙室上壁面附近各溫度測點值均可以達到50 ℃以上，并且隨著火災增長系數的增大，各測點溫度值達到50 ℃以上所需的時間最大值由117 s逐漸減少至92 s，位于火源所在上方的通風下游測點是所有測點中最先達到50 ℃，距離火源較遠的通風上游區域測點達到50 ℃所需的時間耗時最長。然而，但是火災產生的熱煙氣最先影響的還是其正上方距離最近的溫度測點，隨后才在通風的影響下使熱煙氣作用于通風下游區域溫度測點。

3）由靠近通風上游區域的艙室角落處火源引起的近艙室上壁面區域溫度變化影響區域首先是火源正上方區域及其通風下游區域，隨著時間增長，高溫區域在通風下游向遠離火源的區域逐步擴大，高溫區域主要集中在艙室通風下游，遠離火源的通風上游區域在很長時間內難以受到火災高溫熱煙氣的影響。

參考文獻：

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